科学家突破量子技术关键步骤：单光子发射增强

http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2015-01-15

纳米金刚石被放到一种新型“双曲超材料”的表面，以增强单光子的生成能力。单光子是开发量子计算机和量子通信技术设备的关键一步。

新浪科技讯北京时间15日消息，据国外媒体报道，近日，研究人员开发出了一种利用“双曲超材料”增强单光子发射的方法，这是通往开发量子计算机和量子通信技术设备的关键一步。

光学超材料能够利用电子云（成为表面等离子体）来操纵光线。在此之前，普渡大学的研究人员已经利用多层氮化钛和绝缘的氮化铝钪制成了“超晶格”（superlattices）。与其他正在开发中且采用金、银等贵金属的等离子体组件不同，新型超材料与互补金属氧化物半导体的制造工艺（用于生产集成电路）兼容。

据报道，这种超材料是双曲型的，意味着它具有能增加光输出的独特性质。在近期的研究中，研究人员阐述了将含有“氮-空位中心”的纳米金刚石附着在新型超材料表面，可以增强单光子的产生。单光子是量子信息处理的单元，这一新型超材料的开发，将为未来的超级计算机、加密技术和通信技术的发展带来巨大帮助。

“这些结果表明，将基于纳米金刚石的单光子发射器置于双曲超材料的表面，可以大幅提升单光子的产生，”普渡大学电气和计算机工程助理教授亚历山大·基尔迪谢维（Alexander Kildishev）说，“单光子发射器可以用来研制室温CMOS兼容的高效单光子源。”

相关的研究结果发表在1月15日的《激光与光电子评论》（Laser& Photonics Reviews）杂志上。该项工作是由来自普渡大学、俄罗斯量子中心、莫斯科物理技术学院、Lebedev物理研究所以及光子纳米技术公司（Photonic Nano-meta Technologies Inc）的研究人员共同完成的。

论文主要作者、研究生米哈伊尔（Mikhail Y. Shalaginov）称，氮-空位中心是金刚石晶格中原子级别的缺陷，是由一个氮原子取代一个碳原子所形成的邻近空隙。将包含氮-空位中心的纳米金刚石放到双曲超材料的表面，不仅可以增强光子的发射，而且改变了光子发射的模式——在量子设备的开发中至关重要。米哈伊尔和基尔迪谢维正与另一位研究者弗拉基米尔（Vladimir M. Shalaev）的团队合作，后者是普渡大学Birck纳米技术中心的纳米光子学主管，同时也是一位出色的电气和计算机工程教授。此外，参与研究的还有电气和计算机工程助理教授亚历山德拉（Alexandra Boltasseva）。他们都是普渡大学专攻量子光学的“卓越团队”成员。

新开发的这一系统代表了一种能在室温下工作的稳定单光子源，因此具有很大的商业应用潜力。当暴露在激光下时，该系统会从“基态”跃升到“激态”，从而自发地发射出单个光子。基尔迪谢维说：“我们希望能使它更快地释放出光子，从而增加发射速率。”

研究结果显示，该系统具备更快产生单光子的能力，并且可以在更多方向上以较大数量产生单光子。超材料具有可以改造的表面，不同的特征、模式或元素，如微型天线或氮化物层的调整，都能以前所未有的方式对光进行操纵。光学超材料由人工原子和分子所组成，具有在纳米水平上进行精确工程的潜力。

量子计算机的开发基于量子理论所描述的两种现象：量子叠加（superposition）和量子纠缠（entanglement）。与传统电脑只有0和1两种状态不同，量子计算机具有许多可能的“量子叠加状态”。基于量子物理学的计算机将具有量子比特（qubits），能增加量子计算机处理、保存和传输信息的能力。氮原子空位还使利用原子核或电子“自旋”状态进行信息记录成为可能，这对量子计算而言至关重要。自旋可以是“向上”或“向下”——形成上和下两种状态的量子叠加——代表了一种处理信息的新技术。

未来的研究工作将可能包括该系统的改进，利用结合了双曲超材料和纳米天线、光学波导的设备，提高系统的效率并使系统更加紧凑。接下来，研究人员会改进该系统的“自旋特性”，利用氮原子空位研究上、下两种状态之间的光学对比。（任天）

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